ANALISI TERMODINAMICA DI UNA TESTATA PER MOTO DA SUPERBIKE

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1 Università degli studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - A.A. 2005/2006 ANALISI TERMODINAMICA DI UNA TESTATA PER MOTO DA SUPERBIKE Candidato: Marco Romani Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfredo Liverani Dott. Ing. Stefano Cassani Dott. Ing. Daniele Marozzi

2 OBIETTIVI DELLA TESI Sviluppare un modello che permetta di prevedere con buona approssimazione il campo di temperatura e le sollecitazioni strutturali a cui è sottoposta una testata Valutare le potenzialità del modello confrontando i risultati ottenuti con rilevamenti sperimentali Analizzare le zone di contatto ponendo particolare attenzione alla pressione di contatto nella guarnizione di testa

3 DUCATI 999 BIPOSTO Caratteristiche motore: Bicilindrico ad L 998 cc Distribuzione desmodromica 4 valvole per cilindro Raffreddamento a liquido Pmax = 124 CV a 9750 rpm

4 VERIFICHE TERMICHE: Congruenza con i rilevamenti forniti da Ducati Temperature in camera di combustione Temperature lato acqua STRUTTURALI: Tensioni Deformazioni Pressione di contatto nella guarnizione di testa considero anche il cilindro

5 Testata Combustione Sede valvola d aspirazione Sede valvola di scarico Olio Condotto d aspirazione Condotto di scarico Refrigerante

6 Carichi d assemblaggio 1. Forza di serraggio esercitata dai prigionieri 2. Accoppiamenti per interferenza: sedi valvole - testa guide valvole - testa Carichi di funzionamento 1. Pressione max sulla superficie della camera di combustione 2. Pressione max di contatto tra valvola e sede valvola

7 Modello monodimensionale di scambio termico in camera di combustione Regime di POTENZA MASSIMA (9750 rpm) 1. Woschni Modelli utilizzati 2. Bocchi 3. Annand hgas,med = hgas ( α ) dα Tgas,med = hgas ( α 720 hgas,med W/(m² K) ) Tgas ( α ) dα 1099 C

8 Distribuzione spaziale del coefficiente di scambio termico Suddivisione in 6 corone circolari centrate con l asse della candela Distribuzione parabolica dei coefficienti di scambio termico hgas (r ) = hgas,max r R 0

9 Scambi termici nel cilindro 1. Scambio termico gas - parete 2. Potenza dissipata per attrito Wd = f Fn u 3. Scambio termico pistone - cilindro

10 Condotti di aspirazione e di scarico Coefficiente di scambio termico per convezione forzata Regime turbolento (Formula di Sieder & Tate) Nu = 0,027 Re 0,8 Pr 0, 33 µg µ p 0.14

11 Refrigerante Refrigerante: miscela acqua glicoletilene (40%) Pressione refrigerante = 1.26 bar (a 9750 rpm) Scambi di calore per: Convezione Forzata (Dittus-Boelter) Ebollizione Nucleata - Chen - Mc. Adams Condizione di Flusso Critico (Zuber) Chen Mc. Adams media Condizionano lo scambio termico: Condizionano la convezione forzata: Temperatura di parete Velocità Proprietà del fluido Diametro idraulico Finitura superficiale Depositi

12 ΛNSYS WorkBench 10.0 Modello FEM Carichi applicati: Assemblaggio + Termici + Pressione Piano di simmetria Materiali: caratteristiche di comportamento bilineare in funzione della temperatura per testa, cilindro, sedi, guide, prigionieri guarnizione di testa: caratteristiche di comportamento non lineare per le linee di tenuta valutate dalle curve pressione-schiacciamento

13 Verifiche termiche 1) CAMPO DELLE TEMPERATURE

14 2) CONFRONTO TRA LE TEMPERATURE OTTENUTE DAL MODELLO E QUELLE RILEVATE DALLA DUCATI PUNTI CONSIDERATI ΔT SCARTO % 1 +8 C +6.3% 2-3 C -1.7% 3 +3 C +2.4% MEDIA + 2.3% 3) POTENZA ASPORTATA DAL REFRIGERANTE (W) RILEVAZIONE SPERIMENTALE MODELLO TEORICO SCARTO % %

15 4) ZONE DELLA TESTA CON TEMPERATURE PIU ELEVATE Nelle zone più calde della testa non si devono raggiungere temperature troppo elevate per evitare uno scadimento delle caratteristiche del materiale. GK-AlSi10Mg(Cu) DIN 1725 La temperatura massima fornita dal modello è 226 C

16 Sollecitazioni equivalenti Le parti più sollecitate della testa sono le zone di accoppiamento con - sedi valvole - guide valvole - prigionieri I componenti più sollecitati sono le sedi valvole

17 GUARNIZIONE TESTA Linee di tenuta definite a rigidezza crescente MODELLO SEMPLIFICATO Sostituzione della testa e del cilindro con due parallelepipedi Parallelepipedi realizzati con gli stessi materiali della testa e del cilindro Comportamento delle linee di tenuta della guarnizione valutato dal diagramma pressione-schiacciamento Carichi: serraggio dei prigionieri Contatto con attrito

18 RETICOLATURA DELLA GUARNIZIONE PRESSIONE DI CONTATTO

19 PRESSIONE DI CONTATTO Ingrandimento di una porzione dello STOPPER

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